(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤
ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路内のガスを排出するパージ弁と、
酸化剤ガス供給手段から供給され前記燃料電池を通過して排出される希釈用ガスで、前記パージ弁を介して前記燃料ガス流路から排出されるガスを混合希釈して外部に排出する希釈手段と、
前記酸化剤ガス流路を掃気した後、前記燃料ガス流路を掃気する掃気手段と、
前記掃気手段による掃気が必要か否かを判定する掃気判定手段と、
前記掃気判定手段によって掃気が必要と判定されたとき、前記掃気手段による掃気中に前記希釈手段に接続されたアシスト用通路を介して希釈アシストガスを前記希釈手段に供給し、前記希釈手段における希釈をアシストする希釈アシスト手段と、
前記希釈手段から排出されるガスに含まれる燃料ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、
を備え、
前記パージ弁は、前記掃気手段による前記酸化剤ガス流路の掃気中、前記濃度検出手段によって検出される燃料ガスの濃度が第１所定濃度未満である場合、弁開することによって前記燃料ガス流路のガスを排出し、
前記希釈アシスト手段は、前記掃気手段による掃気中、前記濃度検出手段によって検出される燃料ガスの濃度が、前記第１所定濃度よりも低い第２所定濃度以上である場合、前記希釈手段に希釈アシストガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記希釈アシスト手段は、前記希釈手段内の燃料ガスの濃度を低減させる手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出手段によって検出される燃料ガスの濃度が前記第２所定濃度未満となるとき、前記希釈アシスト手段から前記希釈手段への希釈アシストガスの供給が停止されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、
前記アシスト用通路は、前記酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスの一部を、前記燃料電池をバイパスして前記希釈手段に供給する通路からなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、
前記希釈アシスト手段は、前記掃気手段による前記酸化剤ガス流路の掃気中、前記濃度検出手段によって検出される燃料ガスの濃度が前記第２所定濃度以上である場合、前記希釈手段に希釈アシストガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、
前記希釈アシスト手段は、前記掃気手段による前記燃料ガス流路の掃気中、前記濃度検出手段によって検出される燃料ガスの濃度が前記第２所定濃度以上である場合、前記希釈手段に希釈アシストガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５又は６記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス流路の掃気を行う掃気ガスは、前記酸化剤ガス供給手段から供給された酸化剤ガスからなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記希釈アシスト手段は、前記掃気手段による前記酸化剤ガス流路の掃気中、前記希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が、前記第２所定濃度よりも低い第３所定濃度未満である場合、希釈アシストガスで前記希釈手段内のガスを前記希釈手段外に押し出すことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
酸化剤ガス流路の掃気を行い、その後に燃料ガス流路の掃気を行う燃料電池システムの運転方法において、
前記酸化剤ガス流路の掃気中、希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が上限値である第１所定濃度未満か否かを判定し、前記燃料ガスの濃度が前記第１所定濃度未満であるときにパージ弁を弁開状態にしてパージする工程と、
前記酸化剤ガス流路の掃気中、前記希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が前記第１所定濃度よりも低い第２所定濃度以上か否かを判定し、前記燃料ガスの濃度が前記第２所定濃度以上であるときに、前記希釈手段に接続されたアシスト用通路を介して希釈アシストガスを前記希釈手段に供給して希釈をアシストする工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法において、
前記掃気手段による前記酸化剤ガス流路の掃気中、前記希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が、前記第２所定濃度よりも低い第３所定濃度未満である場合、希釈アシストガスで前記希釈手段内のガスを前記希釈手段外に押し出す工程が、前記希釈をアシストする工程の後に実行される
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
酸化剤ガス流路の掃気を行い、その後に燃料ガス流路の掃気を行う燃料電池システムの運転方法において、
前記酸化剤ガス流路の掃気中、希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が上限値である第１所定濃度未満か否かを判定し、前記燃料ガスの濃度が前記第１所定濃度未満であるときにパージ弁を弁開状態にしてパージする工程と、
前記燃料ガス流路の掃気中、前記希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が前記第１所定濃度よりも低い第２所定濃度以上か否かを判定し、前記燃料ガスの濃度が前記第２所定濃度以上であるときに、前記希釈手段に接続されたアシスト用通路を介して希釈アシストガスを前記希釈手段に供給して希釈をアシストする工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、燃料電池の発電停止時等に掃気を行う燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んに行われている。このような燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとの間に挟んで構成した単セルが複数積層して設けられる。また、発電と同時に燃料電池のカソードでは、水素と酸素との電気化学反応により水が生成される。
【０００３】
例えば、前記燃料電池が車両等に搭載され低温環境下（例えば、氷点下）で使用された場合、残留水（生成水）が凍結して固体高分子電解質膜などを劣化させるおそれがあるため、燃料電池の発電停止時に、カソード側に掃気ガスを供給して残留水を排出するための処理（カソード掃気）が必要となる。また、前記カソード側で生成した水は、カソードから固体高分子電解質膜を介してアノードにも透過するため、アノードについても残留水を排出するための処理（アノード掃気）を施す必要がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１には、燃料電池システムを低温環境下で使用する際、発電停止時に燃料電池スタック内部で生成水が凍結するのを防止するために、アノード極入口及びカソード極入口に連通接続された一組のバルブの弁位置をそれぞれ切り換えて、発電停止時に燃料電池内部のカソード及びアノードの両方に対し、それぞれ非加湿のカソードガス（空気）を供給することにより、カソード掃気及びアノード掃気を同時に遂行する技術的思想が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−３３１８９３号公報（段落００２２〜００２４、図１及び図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記特許文献１に開示された燃料電池システムを用いて、例えば、初めにカソード掃気を行った後、続いてアノード掃気をその順序で行った場合、カソードガス（空気）のほとんどがアノードに供給されるため、パージ弁が弁開状態となって水素パージされたとき、例えば、カソードを経由して前記パージ弁の下流側に設けられた希釈器内に導入されるカソードガス量（空気流量）が減少し、前記希釈器から排出される水素濃度が上昇するという問題がある。
【０００６】
本発明の一般的な目的は、掃気時に水素パージを行った場合であっても、高濃度の水素が外部に排出されることを好適に防止することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することにある。
本発明の主たる目的は、掃気時における水素パージを円滑に遂行して、掃気時間を短縮することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路内のガスを排出するパージ弁と、酸化剤ガス供給手段から供給され前記燃料電池を通過して排出される希釈用ガスで、前記パージ弁を介して前記燃料ガス流路から排出されるガスを混合希釈して外部に排出する希釈手段と、前記酸化剤ガス流路を掃気した後、前記燃料ガス流路を掃気する掃気手段と、前記掃気手段による掃気が必要か否かを判定する掃気判定手段と、前記掃気判定手段によって掃気が必要と判定されたとき、前記掃気手段による掃気中に前記希釈手段に接続されたアシスト用通路を介して希釈アシストガスを前記希釈手段に供給し、前記希釈手段における希釈をアシストする希釈アシスト手段と、前記希釈手段から排出されるガスに含まれる燃料ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、を備え、前記パージ弁は、前記掃気手段による前記酸化剤ガス流路の掃気中、前記濃度検出手段によって検出される燃料ガスの濃度が第１所定濃度未満である場合、弁開することによって前記燃料ガス流路のガスを排出し、前記希釈アシスト手段は、前記掃気手段による掃気中、前記濃度検出手段によって検出される燃料ガスの濃度が、前記第１所定濃度よりも低い第２所定濃度以上である場合、前記希釈手段に希釈アシストガスを供給する。
したがって、例えば、発電停止時に掃気が行われたときにパージ弁が作動してガスがパージされた場合であっても、希釈アシスト手段によって送給される希釈アシストガスによって希釈がアシストされるため、希釈手段から高濃度の燃料ガス（水素）が排出されることを防止できる。
【０００８】
本発明によれば、掃気判定手段によって掃気が必要と判定されて掃気手段による掃気中に燃料ガス流路内のガスをパージ弁で排出する場合であっても、希釈アシスト手段を作動させて希釈アシストガスが送給されることにより、希釈手段内において希釈するためのガス量を確実に確保することができる。また、発電により発生した生成水が希釈手段内に貯留している場合であっても、希釈手段内に供給されるガスの流量が増大するため、前記貯留された生成水の希釈手段の外部への排出性を向上させて確実に排出することができる。従って、本発明に係る燃料電池システムが、例えば、氷点下等の低温環境で使用される場合であっても、燃料電池及び希釈手段等で生成水が凍結することを防止して、低温環境下における起動性を確保することができる。
また、前記希釈アシスト手段は、前記希釈手段内の燃料ガスの濃度を低減させる手段であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明では、前記濃度検出手段によって検出される燃料ガスの濃度が前記第２所定濃度未満となるとき、前記希釈アシスト手段から前記希釈手段への希釈アシストガスの供給を停止することができる。この結果、本発明によれば、希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が第２所定濃度未満となる場合、希釈アシストガスの供給が停止されるため、希釈のアシストを必要とするときだけアシストすることにより、例えば、希釈アシストするときの消費電力の削減及びアシスト時における騒音を低下させることができる。
【００１０】
さらに、本発明では、アシスト用通路として、酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスの一部を、燃料電池をバイパスして希釈手段に供給する通路が設けられるとよい。この結果、本発明によれば、希釈アシスト手段から送給される希釈アシストガスとして、燃料電池を通らない非加湿ガスを用いることにより、燃料電池を通過した加湿ガスと比較して、燃料電池分の圧力損失を低減させることができ、酸化剤ガス供給手段の負荷を低減させることができる。
【００１１】
さらにまた、本発明では、前記希釈アシスト手段は、前記掃気手段による前記酸化剤ガス流路の掃気中、前記濃度検出手段によって検出される燃料ガスの濃度が前記第２所定濃度以上である場合、前記希釈手段に希釈アシストガスを供給するとよい。例えば、燃料ガス流路の掃気時に初めてパージ弁によってガスがパージされると、希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が上限濃度を超えるおそれがある。しかしながら、このような場合であっても、本発明によれば、燃料ガス流路の掃気前に実行される酸化剤ガス流路の掃気時にガスの排出を行うと共に、希釈アシスト手段を作動させて希釈をアシストすることにより、燃料ガス流路内の燃料ガスを予め低減させておくことができ、酸化剤ガス流路の掃気に連続して燃料ガス流路の掃気を行う際に希釈手段から排出される水素の濃度を第２所定濃度未満に低減させることができる。この場合、希釈のアシストを行うことにより、ガスの排出による希釈のための希釈時間を短くすることができ、酸化剤ガス流路の掃気時間の短縮化を図ることができる。
【００１２】
またさらに、本発明では、前記希釈アシスト手段は、前記掃気手段による前記燃料ガス流路の掃気中、前記濃度検出手段によって検出される燃料ガスの濃度が前記第２所定濃度以上である場合、前記希釈手段に希釈アシストガスを供給する。例えば、燃料ガス流路の掃気時にパージ弁によってガスがパージされると、希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が上限濃度を超えるおそれがある。しかしながら、このような場合であっても、本発明によれば、燃料ガス流路の掃気時のパージに合わせて希釈アシストを行うことにより、燃料ガス流路の掃気の開始時に燃料ガスの流量の急激な上昇によって発生するピーク濃度を抑制することができ、希釈手段から排出される燃料ガスの濃度を所定濃度未満に低減させることができる。
【００１３】
またさらに、本発明では、燃料ガス流路の掃気を行う掃気ガスとして、酸化剤ガス供給手段から供給された酸化剤ガスを用いるとよい。本発明によれば、燃料ガス流路の掃気時に、例えば、コンプレッサ等の酸化剤ガス供給手段から供給されるエア（酸化剤ガス）を使用する場合であっても、前記エアを希釈アシスト手段による希釈アシストガスとして利用してもよい。
また、本発明では、前記希釈アシスト手段は、前記掃気手段による前記酸化剤ガス流路の掃気中、前記希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が、前記第２所定濃度よりも低い第３所定濃度未満である場合、希釈アシストガスで前記希釈手段内のガスを前記希釈手段外に押し出すとよい。
【００１４】
またさらに、本発明では、酸化剤ガス流路の掃気を行い、その後に燃料ガス流路の掃気を行う燃料電池システムの運転方法において、酸化剤ガス流路の掃気中、希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が上限値である第１所定濃度未満か否かを判定し、前記燃料ガスの濃度が前記第１所定濃度未満であるときにパージ弁を弁開状態にしてパージする。続いて、前記酸化剤ガス流路の掃気中、前記希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が前記第１所定濃度よりも低い第２所定濃度以上か否かを判定し、前記燃料ガスの濃度が前記第２所定濃度以上であるときに、前記希釈手段に接続されたアシスト用通路を介して希釈アシストガスを前記希釈手段に供給して希釈をアシストする。
【００１５】
このように、本発明では、燃料ガスの掃気に先行する酸化剤ガス流路の掃気時において、希釈手段に希釈アシストガスを供給して希釈のアシストを行うことにより、酸化剤ガス流路の掃気時間を短縮することができる。
【００１７】
またさらに、本発明では、前記掃気手段による前記酸化剤ガス流路の掃気中、前記希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が、前記第２所定濃度よりも低い第３所定濃度未満である場合、希釈アシストガスで前記希釈手段内のガスを前記希釈手段外に押し出す工程を、前記希釈をアシストする工程の後に実行するとよい。このように、低濃度の燃料ガスを希釈アシストガスによって希釈手段の外部に押し出すことにより、掃気時における燃料ガスパージが円滑に遂行されて、掃気時間を短縮することができる。
【００１８】
またさらに、本発明では、酸化剤ガス流路の掃気を行い、その後に燃料ガス流路の掃気を行う燃料電池システムの運転方法において、前記酸化剤ガス流路の掃気中、希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が上限値である第１所定濃度未満か否かを判定し、前記燃料ガスの濃度が前記第１所定濃度未満であるときにパージ弁を弁開状態にしてパージする。続いて、前記燃料ガス流路の掃気中、前記希釈手段から排出される燃料ガスの濃度が前記第１所定濃度よりも低い第２所定濃度以上か否かを判定し、前記燃料ガスの濃度が前記第２所定濃度以上であるときに、前記希釈手段に接続されたアシスト用通路を介して希釈アシストガスを前記希釈手段に供給して希釈をアシストする。
【００１９】
このように、本発明では、燃料ガス流路の掃気時において、希釈手段に希釈アシストガスを供給して希釈をアシストすることにより、燃料ガス流路の掃気の開始時におけるピーク濃度を抑制して燃料ガスの濃度を低減することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、掃気時に水素パージを行った場合であっても、高濃度の水素が外部に排出されることを好適に防止することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。
また、本発明によれば、掃気時における水素パージを円滑に遂行して、掃気時間を短縮することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、図２は、前記燃料電池システムの運転を停止した時の第１プログラムに基づく処理を示すフローチャートであり、図３は、図２に示される処理に関連するタイムチャートであり、図４は、前記燃料電池システムの運転を停止した時の第２プログラムに基づく処理を示すフローチャートであり、図５は、図４に示される処理に関連するタイムチャートである。
【００２２】
なお、本実施形態では、燃料電池システムを車両に適用した場合を例にして以下に説明するが、これに限定されるものではなく、例えば、航空機や船舶等の他の乗り物用システムに適用し、あるいは家庭用電源としての定置式システムに適用してもよい。
【００２３】
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。この燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系（燃料ガス供給手段）と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系とを含む。
【００２４】
さらに、燃料電池システム１は、前記燃料電池スタック１０の掃気時に掃気ガス（非加湿の空気）をカソード系からアノード系に導く掃気系と、前記掃気系による掃気中に後記するパージ弁２５によってパージされた水素の希釈をアシストする希釈アシスト系と、ＩＧ６１（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置、掃気判定手段）とを備えている。 
【００２５】
ここで、燃料電池スタック１０の掃気とは、燃料電池スタック１０の水分等を、掃気ガスによって外部に押し出すことであり、本実施形態では、掃気ガスとして、コンプレッサ３１からの非加湿の空気を使用する場合を例示する。但し、これに限定されず、掃気ガスとして、例えば、図示しない窒素タンクからの窒素を使用してもよい。
【００２６】
また、本実施形態では、燃料電池スタック１０の掃気は、システム停止時（発電停止時）において、停止後、つまり停止中に燃料電池システム１が低温環境に曝される虞があり、燃料電池スタック１０を含め、システム内が凍結する虞のある場合に実行される構成となっている。そして、このように燃料電池スタック１０が掃気されると、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）の両側に形成される後記するアノード流路（燃料ガス流路）１１及びカソード流路（酸化剤ガス流路）１２は、いずれも、掃気ガス、つまり非加湿の空気に置換され、この空気が封入された状態でシステムが停止（発電が停止）するようになっている。
【００２７】
よって、システム停止中に、ＭＥＡにおいて電位差（Open Circuit Voltage）は発生せず、ＭＥＡは電場下に曝されず、ＭＥＡの劣化（電解質膜の電気分解等）が防止される構成となっている。
【００２８】
以下、燃料電池システム１の各部を具体的に説明する。
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡと、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータとを備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。
【００２９】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００３０】
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１（燃料ガス流路）、カソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。したがって、燃料電池スタック１０内におけるアノード流路１１及びカソード流路１２の容積は、前記溝の形状や長さ、単セルの積層数に依存し、燃料電池スタック１０の仕様に基づいて定められる固定値である。
【００３１】
そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ）が発生するようになっている。次いで、ＯＣＶが発生した状態で、発電要求があり、図示しないコンタクタがＯＮされると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
【００３２】
アノード系は、水素タンク２１と、遮断弁２２と、減圧弁２３と、エゼクタ２４と、パージ弁２５と、温度センサ２６とを備えている。水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、減圧弁２３、配管２３ａ、エゼクタ２４、配管２４ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ７０から導出された付勢信号によって遮断弁２２が弁開状態となると、水素が、水素タンク２１から、遮断弁２２等を経由して、アノード流路１１に供給されるようになっている。よって、本実施形態において燃料ガス供給手段は、水素タンク２１と、遮断弁２２と、減圧弁２３と、エゼクタ２４とを備えて構成されている。
【００３３】
アノード流路１１の出口は、配管２５ａ、パージ弁２５、配管２５ｂを介して、後記する希釈器３２に接続されている。また、配管２５ａの途中は、配管２５ｃを介してエゼクタ２４に接続されている。
【００３４】
パージ弁２５は、ＥＣＵ７０から導出される制御信号によって図示しない弁体の開閉（又は弁開度）が制御される開閉弁（電磁弁）からなり、燃料電池スタック１０の発電中は前記弁体が着座部に着座して弁閉状態となるように設定されている。これにより、アノード流路１１から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、配管２５ｃを介してエゼクタ２４に戻されるようになっている。そして、戻された水素は、再びアノード流路１１に供給され、水素が循環するようになっている。すなわち、燃料電池システム１は、水素を循環させる水素循環系を備えており、水素が効率的に利用されるようになっている。
【００３５】
一方、循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）が多くなり、燃料電池スタック１０及び／又は単セルの出力が下がった場合、不純物を排出するため、パージ弁２５はその弁体が着座部から離間して弁開状態となり、アノードオフガスが希釈器３２に供給されるようになっている。
【００３６】
また、パージ弁２５は、システム起動時において、アノード流路１１内を水素に置換し、アノード流路１１内の水素濃度を高めるため、ＥＣＵ７０によって適宜に弁開状態となるようになっている。
【００３７】
温度センサ２６は、配管２５ａに設けられており、配管２５ａ内の温度を、燃料電池システム１のシステム温度Ｔ１として検出するようになっている。そして、温度センサ２６はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は燃料電池システム１のシステム温度Ｔ１を検知するようになっている。なお、前記温度センサ２６に代替して、図示しない外気温センサを配設して前記外気温センサによる検出温度をシステム温度Ｔ１とするようにしてもよい。
【００３８】
カソード系は、燃料電池スタック１０又は図示しないバッテリを電源として作動するコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）３１と、希釈器３２（希釈手段）と、水素濃度検出センサ３３（濃度検出手段）と、背圧制御弁３４とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されており、ＥＣＵ７０の指令に従ってコンプレッサ３１が作動すると、酸素を含む空気が取り込まれ、カソード流路１２に供給されるようになっている。また、配管３１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、カソード流路１２に供給される空気が適宜に加湿されるようになっている。なお、燃料電池スタック１０を掃気する場合、コンプレッサ３１からの空気は前記加湿器をバイパスし、非加湿の空気が掃気ガスとして、アノード流路１１及び／又はカソード流路１２に供給されるようになっている。
【００３９】
カソード流路１２の出口は、配管３２ａを介して希釈器３２に接続されており、燃料電池スタック１０のカソードから排出されたカソードオフガスが希釈器３２に供給されるようになっている。
【００４０】
希釈器３２は、パージ弁２５が弁開状態となることによって、アノード系から導入されるアノードオフガスと、カソード流路１２から排出されたカソードオフガス（酸化剤ガス、希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を希釈する機器であり、これらガスを混合し、水素を希釈するための希釈空間を備えている。そして、希釈後のガス（希釈後ガス）は、配管３２ｂを介して車外（外部）に排出されるようになっている。
【００４１】
水素濃度検出センサ３３は、配管３２ｂに設けられており、希釈器３２での希釈後、車外に排出される希釈後ガス中の水素濃度（後記する第１所定濃度及び第２所定濃度参照）を検出するようになっている。そして、水素濃度検出センサ３３はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は水素濃度を検知するようになっている。
【００４２】
カソード流路１２の出口と希釈器３２とを連通接続させる配管３２ａの途中には、アノード流路１１に供給される水素の圧力とカソード流路１２に供給される空気の圧力とをバランスさせる背圧制御弁３４が設けられる。この背圧制御弁３４は、例えば、バタフライ弁等からなり、ＥＣＵ７０から導出される制御信号によって弁体の開閉動作が制御され、又は弁体の弁開度が所定角度となるように制御されるようになっている。
【００４３】
掃気系は、燃料電池スタック１０の掃気時に、カソード系からアノード系に掃気ガスを導くための系であって、掃気時にのみ弁体が着座部から離間して弁開状態となる掃気弁（掃気手段）４１を備えている。そして、配管３１ａの途中は、配管４１ａ、掃気弁４１、配管４１ｂを介して、配管２４ａの途中に接続されている。次いで、ＥＣＵ７０が、コンプレッサ３１を作動させることにより、掃気ガス（コンプレッサ３１からの非加湿の空気）が、カソード流路１２と、前記掃気弁４１等を介してアノード流路１１とにそれぞれ供給されるようになっている。
【００４４】
希釈アシスト系は、カソード掃気時又はアノード掃気時にパージ弁２５によって水素がパージされた際、アノード系から希釈器３２に導入された水素の希釈をアシストするための系である。
【００４５】
この希釈アシスト系は、コンプレッサ３１に接続された配管３１ａから分岐して前記希釈器３２内の希釈空間に連通するアシスト用配管（アシスト用通路）５０と、前記アシスト用配管５０の途中に設けられて該アシスト用配管５０内の流体通路を開閉する希釈アシスト弁（希釈アシスト手段）５２とを備える。前記希釈アシスト弁５２は、例えば、電磁弁等の開閉弁（オンオフ弁）からなり、ＥＣＵ７０からの付勢・滅勢信号が図示しないソレノイド部に送給されることにより、図示しない弁体が着座部から離間して弁開状態となると共に、前記弁体が着座部に着座した弁閉状態となるように構成されている。
【００４６】
ＩＧ６１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ６１はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０はＩＧ６１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００４７】
ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶された各種プログラムに従って、各種処理を実行するようになっている。
【００４８】
ＥＣＵ７０は、システム停止時において、停止後に燃料電池スタック１０が低温環境下に曝され、燃料電池スタック１０内が凍結する虞のある場合、パージ弁２５、コンプレッサ３１及び掃気弁４１等を後記するように適宜に制御して、燃料電池スタック１０を掃気し、アノード流路１１及びカソード流路１２に掃気ガス（非加湿の空気）を封入する機能を備えている。
【００４９】
また、ＥＣＵ７０は、後記する燃料電池スタック１０の発電停止直後の掃気以外に、内蔵するクロックを利用して、例えば、発電開始時、又は、適宜な時間に掃気する機能を備えている。
【００５０】
さらに、ＥＣＵ７０は、ＩＧ６１がＯＦＦされた発電停止時に、パージ弁２５を弁開状態としたことで、希釈器３２に送られたガスの現在の総パージ量（総排出量）を検出する機能を備えている。
【００５１】
具体的には、ＥＣＵ７０は、パージ弁２５の上流側圧力（減圧弁２３の二次側圧力）と、パージ弁２５の弁開度（弁開状態におけるガスの流路断面積）と、パージ弁２５の弁開時間とに基づいて、現在の総パージ量を算出するようになっている。この他、配管２５ｂに図示しない流量センサを設けて、これが検出する流量（Ｌ／ｍｉｎ）とパージ弁２５の弁開時間とに基づいて算出することもできる。また、パージ弁２５が複数回に亘って開閉された場合、現在の総パージ量は、パージ弁２５の各弁開時間におけるパージ量の和で与えられる。
【００５２】
さらにまた、ＥＣＵ７０は、パージ弁２５を弁開状態としてアノード流路１１等内のガスを希釈器３２に供給している場合において、希釈後ガスの水素濃度が、上限濃度（後記する第１所定濃度）以上であるとき、その後、パージ弁２５を開くことを許可しないと判定する機能を備えている。
【００５３】
またさらに、ＥＣＵ７０は、前記したように、パージ弁２５の開放を許可しないと判定されている場合、つまり、希釈後ガス中の水素濃度が上限濃度（第１所定濃度）以上である場合、パージ弁２５を弁閉状態とする又は継続して弁閉状態を保持する機能を備えている。
【００５４】
またさらに、ＥＣＵ７０は、水素濃度検出センサ３３によって検出された希釈器３２から排出される水素の濃度が後記する第２所定濃度未満であるとき、希釈アシスト弁５２を滅勢して弁閉状態とし、前記希釈器３２への希釈アシストガスの供給を停止させる機能を備えている。
【００５５】
次に、ＩＧ６１のＯＦＦによる燃料電池システム１のシステム停止時の動作を、ＥＣＵ７０に設定された第１プログラム（図２のフローチャート及び図３のタイムチャート）に沿って説明する。この第１プログラムは、カソード掃気中に希釈アシスト弁５２を作動させて希釈アシストする点に特徴がある。
【００５６】
燃料電池自動車を停止するため、運転者によってＩＧ６１がＯＦＦされると、ＩＧ６１のＯＦＦ信号を検知したＥＣＵ７０は、その後、燃料電池スタック１０に対して掃気が必要か否かを判定する（ステップＳ１）。
【００５７】
例えば、温度センサ２６によって検出されるＩＧ６１のＯＦＦ時のシステム温度Ｔ１が所定の判定温度（例えば、０℃）未満である場合（ステップＳ１：ＹＥＳ→ステップＳ２）、ＥＣＵ７０は、掃気する必要があると判定する。一方、前記温度センサ２６によって検出されるシステム温度Ｔ１が所定の判定温度（例えば、０℃）以上である場合（ステップＳ１：ＮＯ→ステップＳ１４）、ＥＣＵ７０は、掃気の必要はないと判定し、システムを停止する（ステップＳ１４）。なお、前記ＥＣＵ７０が掃気の要否を判定する際、前記システム温度Ｔ１の他に、例えば、天気予報等の他の情報データをも判断材料とすると好適である。
【００５８】
前記ステップＳ１において掃気の必要があると判定された場合、ＥＣＵ７０は、先ず、カソード掃気制御を開始する（ステップＳ２）。すなわち、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１から送給されるエア供給量を第１の所定流量（図３に示されるエア供給流量参照）に制御にしてコンプレッサ３１の運転を継続した状態で遮断弁２２を閉じ、燃料電池スタック１０の発電を停止させる。
【００５９】
同時に、ＥＣＵ７０は、背圧制御弁３４を弁開状態に付勢して、コンプレッサ３１から取り込んだ空気をカソード流路１２に流通させて、カソード掃気を実行する。従って、カソード流路１２には、コンプレッサ３１から掃気ガス（非加湿の空気）が供給されるため、カソード流路１２に残留する水分が、配管３２ａ等を介して外部に排出される。
【００６０】
これにより、燃料電池スタック１０の発電停止（ＩＧ６１がＯＦＦ）時点でカソード流路１２に残留している水が、希釈器３２の配管３２ｂを通じて大気中に排出される。なお、このときのコンプレッサ３１の回転速度は、生成水を吹き飛ばすことができる程度の流量の空気を供給することが可能な回転速度とする。また、カソード掃気中では、掃気弁４１が弁閉状態に保持されている。
【００６１】
続いて、ＥＣＵ７０は、カソード掃気中にパージ弁２５を弁開状態としてパージすべき目標流量等に基づいて、アノードパージが必要か否かを判定する（ステップＳ３）。ＥＣＵ７０は、現在のパージ流量がパージすべき目標流量に到達してアノードパージが不要であると判定した場合（ステップＳ３：ＮＯ→ステップＳ１１）、後記するステップＳ１１に進む。
【００６２】
これに対して、現在のパージ流量がパージすべき目標流量に未到達でアノードパージが必要であると判定した場合（ステップＳ３：ＹＥＳ→ステップＳ４）、ＥＣＵ７０は、さらに、水素濃度検出センサ３３からの検出信号に基づいて希釈器３２から排出される水素の濃度が第１所定濃度未満であって、大気中にパージすることが可能かどうかを判定する（ステップＳ４）。この水素の第１所定濃度とは、例えば、着火しない水素濃度の上限値をいい、希釈器３２に接続された配管３２ｂを通じて外部（大気中）に排気することができる水素の上限濃度をいう。
【００６３】
ＥＣＵ７０は、前記ステップＳ４において、水素濃度検出センサ３３からの検出信号に基づいて希釈器３２から排出される水素の濃度が第１所定濃度以上であると判定した場合（ステップＳ４：ＮＯ→ステップＳ５）、パージ弁２５を弁閉状態に保持したまま（又は、パージ弁２５が弁開状態にあるときは弁閉状態に切り換えて）、後記するステップＳ７に進む。
【００６４】
一方、ＥＣＵ７０は、前記ステップＳ４において、水素濃度検出センサ３３からの検出信号に基づいて希釈器３２から排出される水素の濃度が第１所定濃度未満であると判定したとき（ステップＳ４：ＹＥＳ→ステップＳ６）、パージ弁２５を後記するパルス信号に基づいて弁開状態に切り換えて（ステップＳ６）、パージを行う。この場合、前記パージ弁２５からパージされた水素は、希釈器３２に導入されて希釈用ガスによって希釈される。
【００６５】
次に、ＥＣＵ７０は、水素濃度検出センサ３３からの検出信号に基づいて希釈器３２から排出される水素の濃度が第２所定濃度以上であるかどうかを判定する（ステップＳ７）。
【００６６】
すなわち、ＥＣＵ７０は、パージ弁２５が弁開状態となることによって所定量の水素が希釈器３２内に導入された際、配管３２ｂから外部又は車外に排出される水素の濃度が上限濃度である第１所定濃度よりも低いが、このままでは前記第１所定濃度を超えるおそれがあるため、希釈をアシストする必要がある高濃度の第２所定濃度以上かどうかを、水素濃度検出センサ３３からの検出信号に基づいて判定する（第１所定濃度＞第２所定濃度）。この結果、希釈器３２から排出される水素の濃度が第１所定濃度以上の高濃度となると推定される場合には、希釈アシスト弁５２を弁開状態として希釈するガスを増量させて、水素濃度を低減させる希釈アシストを行う。
【００６７】
なお、前記パージ弁２５は、図３に示されるように、パルス幅の最も大なる第１パルスと、前記第１パルスに連続しパルス幅が中なる第２パルスと、前記第２パルスに連続しパルス幅が最も小なる第３パルスとによって構成されたパルス信号によって弁開状態と弁閉状態とがそれぞれ切換制御される。
【００６８】
ＥＣＵ７０は、前記ステップＳ７において、水素濃度検出センサ３３によって検出された水素濃度が第２所定濃度以上であると判定したとき（ステップＳ７：ＹＥＳ→ステップＳ８）、希釈器３２内における希釈をアシストする必要があると判断し、パルス信号に基づいて希釈アシスト弁５２を制御する（ステップＳ８）。
【００６９】
前記希釈アシスト弁５２を制御するパルス信号は、図３に示されるように、パルス幅が大なる第１パルスと、前記第１パルスに連続しパルス幅が中なる第２パルスと、前記第２パルスに連続しパルス幅が小なる第３パルスとを有し、前記パージ弁２５を制御するパルス信号と同一パルス形状によって構成される。
【００７０】
前記希釈アシスト弁５２は、前記パルス信号によって弁開状態と弁閉状態とがそれぞれ切換制御される。なお、図３に示されるように、希釈アシスト弁５２が制御されるパルス信号の第１パルスの立ち上がり時は、パージ弁２５が制御されるパルス信号の第１パルスの立ち上がり時に対して、所定時間だけ遅延してタイムラグを有する。前記希釈アシスト弁５２と前記パージ弁２５とが非連動となっているからである。
【００７１】
前記希釈アシスト弁５２が弁開状態とされることにより、燃料電池スタック１０を通過していないコンプレッサ３１からの非加湿のアシストガス（空気）がアシスト用配管５０を通じて希釈器３２に供給される。このように、非加湿のアシストガスが希釈器３２に供給されて希釈がアシストされることにより、第２所定濃度以上の高濃度の水素が前記第２所定濃度未満の濃度に低減され、配管３２ｂを通じて外部に排気される。
【００７２】
なお、前記ステップＳ７において、水素濃度検出センサ３３から検出された水素濃度が第２所定濃度未満である場合、ＥＣＵ７０は、希釈をアシストする必要がないと判断して、前記希釈アシスト弁５２を弁閉状態に保持したまま（又は、希釈アシスト弁５２が弁開状態にあるときは弁閉状態に切り換えて）（ステップＳ９）、後記するステップＳ１０に進む。このように、希釈器３２から排出される水素の濃度が第２所定濃度未満となる場合、希釈アシスト弁５２が弁閉状態となって希釈アシストガスの供給が停止されるため、希釈のアシストを必要とするときだけアシストすることにより、例えば、希釈アシストするときのコンプレッサ３１の消費電力を削減することができると共に、アシスト時における騒音を低下させることができる。
【００７３】
続いて、ＥＣＵ７０は、アノード流路１１内の水素量が所定以下となる時間（タイマの設定値）に基づいて、又は、パージ弁２５が弁開状態となったときのパルス幅を合算したものから求められたパージ総流量（体積流量）に基づいて、パージが完了したか否かを判定する（ステップＳ１０）。
【００７４】
前記ＥＣＵ７０によってパージが完了したと判定されたとき（ステップＳ１０：ＹＥＳ→ステップＳ１１）、さらにＥＣＵ７０は、カソード掃気が完了しているか否かを判定し（ステップＳ１１）、一方、パージが完了していないと判定されたとき（ステップＳ１０：ＮＯ→ステップＳ３）、ステップＳ３に戻ってアノードパージが必要か否かを再度判定する。この場合、カソード掃気が完了しているか否かは、背圧制御弁３４が弁開状態にある全体時間又はコンプレッサ３１からカソード流路１２に供給されるエア総流量（体積流量）に基づいて判断される。なお、前記ステップＳ１０でパージが完了したと判定された後、図３に示されるように、パージ弁２５の弁開状態を継続保持することにより、希釈器３２において水素が吸引されて好適に外部に排出することができる。
【００７５】
前記ステップＳ１１において、カソード掃気が完了していると判定されたとき（ステップＳ１１：ＹＥＳ→ステップＳ１２）、ＥＣＵ７０は、前記カソード掃気に続いてアノード掃気制御を実行する（ステップＳ１２）。
【００７６】
このアノード掃気では、コンプレッサ３１の回転速度を前記カソード掃気時よりも所定量だけ増大させ、エア供給流量を所定量だけ増大させた掃気ガス（非加湿の空気）をアノード流路１１内に送給して行う（図３参照）。具体的には、ＥＣＵ７０は、掃気弁４１を弁閉状態から弁開状態に切り換えて各配管４１ａ、４１ｂ及び２４ａをそれぞれ連通状態とした後、パージ弁２５を弁開状態に保持したまま、コンプレッサ３１からの非加湿の空気を掃気ガスとして、アノード流路１１に供給する。
【００７７】
なお、背圧制御弁３４は、図３に示されるように、アノード掃気が開始されると同時に弁開状態から弁閉状態に切り換えられることにより、カソード側から希釈器３２に対する空気の供給が停止される。また、アノード掃気中では、希釈アシスト弁５２が作動されることがなく、図３に示されるように、弁閉状態に保持されている。
【００７８】
アノード掃気により、アノード流路１１内の水分（水蒸気）、ＭＥＡのアノードに付着した水分、及び、配管２４ａ、２５ａ、２５ｃに残留する水素、水分が、希釈器３２等を通って外部に排出される。これと同時に、アノード流路１１内は、水素から空気への置換が進む。
【００７９】
さらに、ＥＣＵ７０は、アノード掃気を開始して所定時間経過後、アノード掃気が完了したか否かを判定し（ステップＳ１３）、前記アノード掃気が完了したと判定したときにコンプレッサ３１を停止し、パージ弁２５及び掃気弁４１を閉じてシステムを停止させる。この場合、未だ、前記アノード掃気が完了していないときは、アノード掃気が完了したと判定されるまでステップＳ１３の処理を繰り返し、前記ステップＳ１３において前記アノード掃気が完了したと判定されたときにシステムを停止する（ステップＳ１４）。
【００８０】
このようにして、アノード流路１１、カソード流路１２、配管２５ａ、３２ａ等内は掃気、つまり、アノード流路１１等内の水分が外部に排出されるので、この後、燃料電池スタック１０等内は凍結しにくくなる。また、アノード流路１１及びカソード流路１２には、掃気ガス（非加湿の空気）が封入されるので、システム停止中に燃料電池スタック１０の各単セルにおいて、ＯＣＶが発生することはない。よって、ＯＣＶの発生に基づいて各単セル内で電流が通電することはなく、ＭＥＡが劣化（例えば電解質膜が分解）しないため燃料電池スタック１０の耐久性は高くなる。また、触媒が高電圧に長時間曝されることがないため、前記触媒の劣化が防止される。
【００８１】
図３中における排出水素濃度は、希釈器３２から排出される希釈後ガス中に含有される水素の濃度を、例えば、水素濃度検出センサ３３によって検出したものであって、実線は、カソード掃気中に希釈アシスト弁５２を作動させることを特徴とする第１プログラムによる濃度特性曲線を示したものであり、破線は、前記希釈アシスト弁５２が設けられておらず希釈時にアシストされることがない比較例に係る濃度特性曲線をそれぞれ示したものである。
【００８２】
前記第１プログラムでは、アノード掃気に先行するカソード掃気中に、希釈アシスト弁５２を作動させて希釈器３２内に希釈アシストガスを供給して希釈器３２における希釈がアシストされる。これにより、比較例と比較して水素が好適に希釈されてカソード掃気中及びアノード掃気中の全般にわたって低濃度となると共に、アノード掃気の開始時に水素流量の急激な上昇によって発生する比較例のピーク濃度を抑制して緩やかな山形の低濃度特性曲線とすることができる。
【００８３】
この結果、掃気時（カソード掃気時及びアノード掃気時）にパージされた場合であっても、希釈器３２から高濃度の水素が排出されることを好適に防止することができる。なお、水素濃度検出センサ３３を設けることがなく、例えば、ＥＣＵ７０のメモリに格納され、パージ弁２５の弁開時間によって予め設定された図示しないテーブルに基づいて希釈後ガス中に含有される現在の排出水素濃度を推定するようにしてもよい。
【００８４】
次に、ＩＧ６１のＯＦＦによる燃料電池システム１のシステム停止時の動作を、ＥＣＵ７０に設定された第２プログラム（図４のフローチャート及び図５のタイムチャート）に沿って説明する。この第２プログラムは、アノード掃気の開始時に希釈アシスト弁５２を同時に作動させて希釈アシストする点に特徴がある。
【００８５】
燃料電池自動車を停止するため、運転者によってＩＧ６１がＯＦＦされると、ＩＧ６１のＯＦＦ信号を検知したＥＣＵ７０は、その後、燃料電池スタック１０に対して掃気が必要か否かを判定する（ステップＳ２１）。
【００８６】
例えば、温度センサ２６によって検出されるＩＧ６１のＯＦＦ時のシステム温度Ｔ１が所定の判定温度（例えば、０℃）未満である場合（ステップＳ２１：ＹＥＳ→ステップＳ２２）、ＥＣＵ７０は、掃気する必要があると判定する。
【００８７】
一方、前記温度センサ２６によって検出されるシステム温度Ｔ１が所定の判定温度（例えば、０℃）以上である場合（ステップＳ２１：ＮＯ→ステップＳ３４）、ＥＣＵ７０は、掃気の必要はないと判定し、システムを停止する（ステップＳ３４）。なお、前記ＥＣＵ７０が掃気の要否を判定する際、前記システム温度Ｔ１の他に、例えば、天気予報等の他の情報データをも判断材料とすると好適である。なお、車室内にドライバが操作可能な図示しないスイッチを設け、前記スイッチが操作されたか否かを監視して、掃気の要否を判定するようにしてもよい。
【００８８】
前記ステップＳ２１において掃気の必要があると判定された場合、ＥＣＵ７０は、先ず、パージを含むカソード掃気制御を開始する（ステップＳ２２）。すなわち、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１から送給されるエア供給量を第１の所定流量（図５に示されるエア供給流量参照）に制御にしてコンプレッサ３１の運転を継続した状態で遮断弁２２を閉じ、燃料電池スタック１０の発電を停止させる。
【００８９】
同時に、ＥＣＵ７０は、背圧制御弁３４を弁開状態に付勢して、コンプレッサ３１から取り込んだ空気をカソード流路１２に流通させて、カソード掃気を実行すると共に、図５に示されるパルス信号に基づいてパージ弁２５を開閉制御してパージを行う。従って、カソード流路１２には、コンプレッサ３１から掃気ガス（非加湿の空気）が供給されるため、カソード流路１２に残留する水分が、配管３２ａ等を介して外部に排出される。また、パージ弁２５を介してパージされた水素は、希釈器３２に導入されて希釈された後、配管３２ｂを通じて外部に排出される。
【００９０】
これにより、燃料電池スタック１０の発電停止（ＩＧ６１がＯＦＦ）時点でカソード流路１２に残留している水が、希釈器３２の配管３２ｂを通じて大気中に排出される。なお、このときのコンプレッサ３１の回転速度は、生成水を吹き飛ばすことができる程度の流量の空気を供給することが可能な回転速度とする。また、カソード掃気中では、掃気弁４１及び希釈アシスト弁５２が、それぞれ弁閉状態に保持されている（図５参照）。
【００９１】
続いて、ＥＣＵ７０は、カソード掃気が完了しているか否かを判定する（ステップＳ２３）。この場合、カソード掃気が完了しているか否かは、背圧制御弁３４が弁開状態にある全体時間又はコンプレッサ３１によってカソード流路１２に供給されるエア総流量（体積流量）に基づいて予め設定された基準値を充足しているか否かによって判定される。
【００９２】
前記ステップＳ２３において、カソード掃気が完了していると判定されたとき（ステップＳ２３：ＹＥＳ→ステップＳ２４）、ＥＣＵ７０は、前記カソード掃気に続いてアノード掃気制御を実行する（ステップＳ２４）。一方、カソード掃気が完了していないと判定されたとき（ステップＳ２３：ＮＯ→ステップＳ２３）、再びステップＳ２３に戻ってカソード掃気が完了しているか否かが再度判定され、カソード掃気が完了していると判定されるまでステップＳ２３の処理を繰り返す。
【００９３】
このアノード掃気では、コンプレッサ３１の回転速度を前記カソード掃気時よりも所定量だけ増大させ、エア供給流量を所定量だけ増大させた掃気ガス（非加湿の空気）をアノード流路１１内に送給して行う（図５参照）。具体的には、ＥＣＵ７０は、掃気弁４１を弁閉状態から弁開状態に切り換えて各配管４１ａ、４１ｂ及び２４ａをそれぞれ連通状態とした後、コンプレッサ３１からの非加湿の空気を掃気ガスとして、アノード流路１１に供給する。
【００９４】
なお、背圧制御弁３４は、図５に示されるように、アノード掃気が開始されると同時に弁開状態から弁閉状態に切り換えられることにより、カソード側から希釈器３２に対する空気の供給が停止される。
【００９５】
アノード掃気により、アノード流路１１内の水分（水蒸気）、ＭＥＡのアノードに付着した水分、及び、配管２４ａ、２５ａ、２５ｃに残留する水素、水分が、希釈器３２等を通って外部に排出される。これと同時に、アノード流路１１内は、水素から空気への置換が進む。
【００９６】
続いて、ＥＣＵ７０は、アノード掃気中にパージ弁２５を弁開状態としてパージすべき目標流量に基づいて、アノードパージが必要か否かを判定する（ステップＳ２５）。ＥＣＵ７０は、現在のパージ流量がパージすべき目標流量に到達してアノードパージが不要であると判定した場合（ステップＳ２５：ＮＯ→ステップＳ３３）、後記するステップＳ３３に進む。
【００９７】
これに対して、現在のパージ流量がパージすべき目標流量に未到達でアノードパージが必要であると判定した場合（ステップＳ２５：ＹＥＳ→ステップＳ２６）、ＥＣＵ７０は、さらに、水素濃度検出センサ３３からの検出信号に基づいて希釈器３２から排出される水素の濃度が第１所定濃度未満であって、大気中にパージすることが可能かどうかを判定する（ステップＳ２６）。この水素の第１所定濃度とは、希釈器３２に接続された配管３２ｂを通じて外部（大気中）に排気することができる水素の上限濃度をいう。
【００９８】
ＥＣＵ７０は、前記ステップＳ２６において、水素濃度検出センサ３３からの検出信号に基づいて希釈器３２から排出される水素の濃度が第１所定濃度以上であると判定した場合（ステップＳ２６：ＮＯ→ステップＳ２７）、パージ弁２５の弁閉状態を保持したまま（又は、パージ弁２５が弁開状態にあるときは弁閉状態に切り換えて）、後記するステップＳ２９に進む。
【００９９】
一方、ＥＣＵ７０は、前記ステップＳ２６において、水素濃度検出センサ３３からの検出信号に基づいて希釈器３２から排出される水素の濃度が第１所定濃度未満であると判定したとき（ステップＳ２６：ＹＥＳ→ステップＳ２８）、パージ弁２５を弁開状態に切り換えて（ステップＳ２８）、パージを行う。
【０１００】
なお、図５では、カソード掃気中にパージ弁２５を開閉動作させてパージを行うと共に、カソード掃気に連続して遂行されるアノード掃気においても継続してパージ弁２５が弁開状態にある場合を例示している。
【０１０１】
次に、ＥＣＵ７０は、水素濃度検出センサ３３からの検出信号に基づいて希釈器３２から排出される水素の濃度が第２所定濃度以上であるかどうかを判定する（ステップＳ２９）。
【０１０２】
すなわち、ＥＣＵ７０は、パージ弁２５が弁開状態となることによって所定量の水素が希釈器３２内に導入された際、配管３２ｂから排出される水素の濃度が上限濃度である第１所定濃度よりも低いが、希釈をアシストする必要がある高濃度の第２所定濃度以上かどうかを、水素濃度検出センサ３３からの検出信号に基づいて判定する（第１所定濃度＞第２所定濃度）。希釈器３２から排出される水素の濃度が所定以上の高濃度となると推定される場合には、希釈アシスト弁５２を弁開状態として希釈するガスを増量させて、ガス濃度を低減させる希釈アシストを行う。
【０１０３】
ＥＣＵ７０は、水素濃度検出センサ３３から検出された水素濃度が第２所定濃度以上であると判定したとき（ステップＳ２９：ＹＥＳ→ステップＳ３０）、希釈器３２内における希釈をアシストする必要があると判断し、パルス信号に基づいて希釈アシスト弁５２を制御する（ステップＳ３０）。前記希釈アシスト弁５２は、図５に示されるように、矩形状の第１パルス〜第３パルスによって構成されるパルス信号によって弁開状態と弁閉状態とが切換制御される。
【０１０４】
その際、前記希釈アシスト弁５２が弁開状態となる第１パルスの立ち上がり時は、図５に示されるように、掃気弁４１が弁開状態となる立ち上がり時と同時又は略同時になるように設定される。換言すると、アノード流路１１内に掃気ガスを供給する掃気弁４１の弁開動作と、アシスト用配管５０を通じて希釈器３２内に希釈をアシストするためのアシストガスを供給する希釈アシスト弁５２の弁開動作とを同時に行うことにより、アノード掃気の開始時におけるピーク濃度の発生を抑制して緩やかな山形の低濃度特性曲線とすることができる（図５参照）。
【０１０５】
前記希釈アシスト弁５２が弁開状態とされることにより、燃料電池スタック１０を通過していないコンプレッサ３１からの非加湿のアシストガス（空気）がアシスト用配管５０を通じて希釈器３２に供給される。このように、非加湿のアシストガスが希釈器３２に供給されて希釈がアシストされることにより、第２所定濃度以上の高濃度の水素が前記第２所定濃度未満の濃度に低減され、配管３２ｂを通じて外部に排気される。
【０１０６】
なお、前記ステップＳ２９において、水素濃度検出センサ３３によって検出された水素濃度が第２所定濃度未満である場合（ステップＳ２９：ＮＯ→ステップＳ３１）、ＥＣＵ７０は、希釈をアシストする必要がないと判断して、前記希釈アシスト弁５２を弁閉状態に保持したまま（又は、希釈アシスト弁５２が弁開状態にあるときは弁閉状態に切り換えて）（ステップＳ３１）、後記するステップＳ３２に進む。このように、希釈器３２から排出される水素の濃度が第２所定濃度未満となる場合、希釈アシスト弁５２が弁閉状態となって希釈アシストガスの供給が停止されるため、希釈のアシストを必要とするときだけアシストすることにより、例えば、希釈アシストするときのコンプレッサ３１の消費電力を削減することができると共に、アシスト時における騒音を低下させることができる。
【０１０７】
続いて、ＥＣＵ７０は、アノード流路１１内の水素量が所定以下となる時間に基づいて、又は、パージ弁２５が弁開状態となったときのパルス幅を合算したものから求められたパージ総流量（体積流量）に基づいて、パージが完了したか否かを判定する（ステップＳ３２）。
【０１０８】
前記ＥＣＵ７０によってパージが完了したと判定されたとき（ステップＳ３２：ＹＥＳ→ステップＳ３３）、さらにＥＣＵ７０は、アノード掃気が完了しているか否かを判定し（ステップＳ３３）、一方、パージが完了していないと判定されたとき（ステップＳ３２：ＮＯ→ステップＳ２６）、ステップＳ２６に戻ってアノードパージが必要か否かを再度判定する。この場合、アノード掃気が完了しているか否かは、背圧制御弁３４が弁閉状態にある全体時間又はコンプレッサ３１によって供給されるエア総流量（体積流量）に基づいて判定される。なお、前記ステップＳ３２でパージが完了したと判定された後、図５に示されるように、パージ弁２５の弁開状態を継続保持することにより、希釈器３２において水素が吸引されて好適に外部に排出することができる。
【０１０９】
さらに、ＥＣＵ７０は、アノード掃気を開始して所定時間経過後、アノード掃気が完了したか否かを判定し（ステップＳ３３）、前記アノード掃気が完了したと判定したときにコンプレッサ３１を停止し、パージ弁２５及び掃気弁４１を閉じてシステムを停止させる（ステップＳ３４）。この場合、未だ、前記アノード掃気が完了していないときは、アノード掃気が完了したと判定されるまでステップＳ２５からステップＳ３３までの処理を繰り返し、ステップＳ３３において前記アノード掃気が完了したと判定されたときにシステムを停止する（ステップＳ３４）。
【０１１０】
希釈アシスト弁５２を制御するパルス信号（第１パルス）の立ち上がりと、掃気弁４１の弁開状態の立ち上がりとを同時に連動させる第２プログラムでは、例えば、循環系内を含むアノード系内に残存して容易に排出されない水素が、前記掃気弁４１から供給される掃気ガスによって強制的に押し出すことができ、前記押し出された水素を希釈アシスト弁５２によって送給される希釈アシストガスによって好適にその濃度を低減させることができる。
【０１１１】
次に、ＩＧ６１のＯＦＦによる燃料電池システム１のシステム停止時の動作を、ＥＣＵ７０に設定された第３プログラム（図６のフローチャート及び図７のタイムチャート）に沿って説明する。この第３プログラムは、カソード掃気時に希釈アシスト弁５２を作動させて希釈器３２内に導入された低濃度の水素を、希釈アシストガスによってブローすることにより前記希釈器３２の外部に押し出してアシストする点に特徴がある。なお、図２に示されるフローチャートと同一のステップには同一のステップ番号を付し、異なるステップについて以下詳細に説明する。
【０１１２】
ＥＣＵ７０は、ステップＳ４において、水素濃度検出センサ３３からの検出信号に基づいて希釈器３２から排出される水素の濃度が第１所定濃度未満であると判定したとき（ステップＳ４：ＹＥＳ→ステップＳ６）、パージ弁２５をパルス信号に基づいて弁開状態に切り換えて（ステップＳ６）、パージを行う。この場合、前記パージ弁２５からパージされた水素は、希釈器３２内に導入される。
【０１１３】
続いて、ＥＣＵ７０は、水素濃度検出センサ３３からの検出信号に基づいて希釈器３２から排出される水素の濃度が低濃度の第３所定濃度未満であるかどうかを判定する（ステップＳ７ａ）。この第３所定濃度は、第１プログラム及び第２プログラムにおいてそれぞれ設定された第１所定濃度（上限濃度）及び第２所定濃度よりも低い水素濃度であって、後記するように希釈アシストガスの希釈器３２内への吐出によって押し出し可能な程度の水素濃度をいう（第１所定濃度＞第２所定濃度＞第３所定濃度）。なお、希釈アシスト弁５２から送給される希釈アシストガスの圧力は、低濃度の水素を押し出すことが可能な程度の流体圧力であればよい。
【０１１４】
ＥＣＵ７０は、前記ステップＳ７ａにおいて、水素濃度検出センサ３３によって検出された水素濃度が第３所定濃度未満であると判定したとき（ステップＳ７ａ：ＹＥＳ→ステップＳ８ａ）、希釈器３２をアシストする必要があると判断し、希釈アシスト弁５２を開閉する（ステップＳ８ａ）。
【０１１５】
前記希釈アシスト弁５２が、図７のタイムチャートに示されるように、所定時間だけ継続して弁開状態とされることにより、燃料電池スタック１０を通過していないコンプレッサ３１からの非加湿のアシストガス（空気）がアシスト用配管５０を通じて希釈器３２内に吐出される。このように、希釈器３２から排出される水素の濃度が第３所定濃度未満の低濃度となると推定される場合には、希釈アシスト弁５２を所定時間だけ継続して弁開状態とし、希釈アシストガスを希釈器３２内にブローして前記低濃度の水素が希釈器３２の外部に強制的に押し出される。
【０１１６】
なお、前記ステップＳ７ａにおいて、水素濃度検出センサ３３から検出された水素濃度が第３所定濃度以上である場合、ＥＣＵ７０は、アシストする必要がないと判断して、前記希釈アシスト弁５２を弁閉状態に保持したまま（又は、希釈アシスト弁５２が弁開状態にあるときは弁閉状態に切り換えて）（ステップＳ９）、後記するステップＳ１０に進む。
【０１１７】
このように、第３プログラムによる動作例では、カソード掃気時にパージ弁２５が動作してパージがなされた場合であっても、希釈器３２における水素濃度が第３所定濃度未満の低濃度であるとき、希釈アシスト弁５２を作動させて前記希釈器３２内の低濃度の水素をブローして希釈器３２の外部に好適に押し出すことができる。この結果、低濃度の水素を希釈アシストガスによって希釈器３２の外部に押し出すことにより、掃気時における水素パージが円滑に遂行されて、掃気時間を短縮することができる。
【０１１８】
次に、ＩＧ６１のＯＦＦによる燃料電池システム１のシステム停止時の動作を、ＥＣＵ７０に設定された第４プログラム（図８のフローチャート及び図９のタイムチャート）に沿って説明する。この第４プログラムは、第１プログラムのステップＳ１１においてカソード掃気が完了する前であってステップＳ１０のパージ完了後に、希釈アシスト弁５２を作動させて希釈器３２内に残留する低濃度の水素及び水を、希釈アシストガスによってブローすることにより前記希釈器３２の外部に押し出してアシストする点に特徴がある。なお、図２に示されるフローチャートと同一のステップには同一のステップ番号を付し、異なるステップについてのみ以下詳細に説明する。
【０１１９】
図８のステップＳ１０において、パージが完了しタイマによって所定時間経過した後（ステップＳ１００）、希釈器３２内の水素濃度は、第３所定濃度未満の押し出し可能な低濃度となっているものと推定され、アシスト弁５２を所定時間だけ開閉する（ステップＳ１０１）。
【０１２０】
すなわち、希釈アシスト弁５２が所定時間だけ継続して弁開状態とされることにより、燃料電池スタック１０を通過していないコンプレッサ３１からの非加湿のアシストガス（空気）がアシスト用配管５０を通じて希釈器３２に吐出される。このように、非加湿のアシストガスが希釈器３２に吐出されて希釈器３２内がブローされることにより、低濃度の水素と共に希釈器３２内に残留する蓋然性のある水が配管３２ｂを通じて外部に好適に押し出される。
【０１２１】
このように、第４プログラムによる動作例では、希釈器３２における水素濃度が第３所定濃度未満の低濃度であると推定されるとき、希釈アシスト弁５２を作動させて前記希釈器３２内の低濃度の水素及び希釈器３２内に残留する蓋然性のある水（水分）をブローして希釈器３２の外部に好適に押し出すことができる。この結果、低濃度の水素を希釈アシストガスによって希釈器３２の外部に押し出すことにより、掃気時における水素パージが円滑に遂行されて、掃気時間を短縮することができると共に、水を好適に吹き飛ばすことによって水の排出性を向上させることができる。
【０１２２】
本実施形態では、カソード掃気中にのみ希釈アシスト弁５２を作動させて希釈アシストする第１プログラム（第３プログラム及び第４プログラムを含む）と、アノード掃気の開始時にのみ希釈アシスト弁５２を同時に作動させて希釈アシストする第２プログラムに基づいてその動作を説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、カソード掃気中及びアノード掃気中の両方においてそれぞれ希釈アシスト弁５２を作動させて希釈アシストする、図示しない他のプログラムに基づいて制御されるようにしてもよい。
【０１２３】
また、本実施形態では、希釈アシスト弁５２をパルス信号に基づいてオンオフ制御して断続的に弁開状態となるようにしているが、これに限定されるものではなく、カソード掃気中又はアノード掃気中にそれぞれ弁開状態を所定時間だけ継続するように構成してもよい。
【０１２４】
さらに、本実施形態では、希釈アシストガスとして、コンプレッサ３１から供給されるエアを利用しているが、これに限定されるものではなく、例えば、コンプレッサ３１と別個独立に設けられた図示しないガスタンクや換気ファンによって希釈アシストガスを送給するようにしてもよい。
【０１２５】
このような燃料電池システム１によれば、主に以下の効果を得ることができる。
本実施形態に係る燃料電池システム１を制御する第１プログラム及び第２プログラムでは、例えば、発電停止時に掃気が行われたときにパージ弁２５が作動してパージされた場合であっても、希釈後ガス中の水素濃度が、上限濃度である第１所定濃度より低い第２所定濃度以上であるとき、希釈アシスト弁５２が弁開状態となって希釈器３２に希釈アシストガスが供給されてその水素濃度を低減するアシストがされるため、車外に高濃度の水素が排出されることを防止できる。
【０１２６】
また、アノード掃気に先行するカソード掃気時に希釈アシスト弁５２を作動させる第１プログラムでは、アノード掃気時に希釈アシスト弁５２を作動させる第２プログラムと比較して、カソード掃気時間を短縮することができる（図３と図５におけるカソード掃気時間を比較参照）。すなわち、第１プログラムでは、アノード掃気前のカソード掃気時にパージ弁２５によって水素パージを行うと共に、希釈アシスト弁５２を作動させて希釈をアシストすることにより、アノード流路１１内の水素を予め低減させておくことができ、カソード掃気に連続してアノード掃気を行う際に希釈器３２から排出される水素の濃度を第２所定濃度未満に低減させることができる。このように希釈のアシストを行うことにより、水素パージによる希釈のための希釈時間を短くすることができ、カソード掃気時間の短縮化を図ることができる。
【０１２７】
本実施形態に係る燃料電池システム１を制御する第１プログラム及び第２プログラムによれば、掃気中に水素パージを行う場合であっても、希釈アシスト弁５２を作動させて希釈アシストガスが送給されることにより、希釈器３２内における希釈のためのガス量を確実に確保することができる。また、発電により発生した生成水が希釈器３２内に貯留している場合であっても、希釈器３２内に供給される希釈のためのガス流量が増大するため、前記貯留された生成水の希釈器３２の外部への排出性を向上させて確実に排出することができる。従って、燃料電池システム１が、例えば、氷点下等の低温環境で使用される場合であっても、希釈器３２又は配管内等で生成水が凍結することを防止して、低温環境下における起動性を確保することができる。
【０１２８】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１を制御する第１プログラム及び第２プログラムによれば、希釈器３２から排出される水素の濃度が第２所定濃度未満となる場合、ＥＣＵ７０により希釈アシストガスの供給が停止されるため、希釈のアシストを必要とするときだけアシストすることにより、例えば、コンプレッサ３１によって希釈アシストするときの消費電力の削減及びアシスト時における騒音を低下させることができる。
【０１２９】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１を制御する第１プログラム及び第２プログラムによれば、希釈アシスト弁５２から送給される希釈アシストガスとして、燃料電池スタック１０を通らない非加湿ガスを用いることにより、燃料電池スタック１０を通過した加湿ガスと比較して、燃料電池スタック１０分だけの圧力損失を低減させることができ、コンプレッサ３１の負荷を低減させることができる。
【０１３０】
さらにまた、アノード掃気時に初めて水素パージを行うと希釈器３２から排出される水素の濃度が第１所定濃度以上の上限濃度を超えるおそれがある。これに対し、本実施形態に係る燃料電池システム１を制御する第１プログラムによれば、アノード掃気前のカソード掃気時に水素パージを行うと共に、希釈アシスト弁５２を作動させて希釈をアシストすることにより、アノード流路１１内の水素を予め低減させておくことができ、カソード掃気に連続してアノード掃気を行う際に、希釈器３２から排出される水素の濃度を第２所定濃度未満に低減させることができる。この場合、希釈のアシストを行うことにより、水素パージによる希釈のための希釈時間を短くすることができ、カソード掃気時間の短縮化を図ることができる。
【０１３１】
またさらに、アノード掃気時に水素パージを行うと希釈器３２から排出される水素の濃度が上限濃度（第１所定濃度）を超えるおそれがある。これに対し、本実施形態に係る燃料電池システム１を制御する第２プログラムによれば、アノード掃気時のパージに合わせて希釈アシストを行うことにより、アノード掃気の開始時に発生するピーク濃度を抑制することができ、希釈器３２から排出される水素の濃度を第２所定濃度未満に低減させることができる。
【０１３２】
またさらに、本実施形態に係る燃料電池システム１を制御する第１プログラム及び第２プログラムによれば、アノード掃気時にコンプレッサ３１から供給されるエアを使用する場合であっても、希釈のためのガスを希釈アシスト弁５２によって確保することができるため、確実に希釈し且つ外部に排出することができる。
【０１３３】
またさらに、本実施形態に係る燃料電池システム１を制御する第３プログラムによれば、カソード掃気時にパージ弁２５が動作してパージがなされた場合であっても、希釈器３２における水素濃度が第３所定濃度未満の低濃度であるとき、希釈アシスト弁５２を作動させて前記希釈器３２内の低濃度の水素をブローして希釈器３２の外部に好適に押し出すことができる。この結果、本実施形態に係る燃料電池システム１を制御する第３プログラムでは、低濃度の水素を希釈アシストガスによって希釈器３２の外部に押し出すことにより、掃気時における水素パージが円滑に遂行されて、掃気時間を短縮することができる。
【０１３４】
またさらに、本実施形態に係る燃料電池システム１を制御する第４プログラムによれば、希釈器３２における水素濃度が第３所定濃度未満の低濃度であると推定されるとき、希釈アシスト弁５２を作動させて前記希釈器３２内の低濃度の水素及び希釈器３２内に残留する蓋然性のある水（水分）をブローして希釈器３２の外部に好適に押し出すことができる。この結果、本実施形態に係る燃料電池システム１を制御する第４プログラムでは、低濃度の水素を希釈アシストガスによって希釈器３２の外部に押し出すことにより、掃気時における水素パージが円滑に遂行されて、掃気時間を短縮することができると共に、水を好適に吹き飛ばすことによって水の排出性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの運転を停止した時の第１プログラムに基づく処理を示すフローチャートである。
【図３】図２に示される処理に関連するタイムチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの運転を停止した時の第２プログラムに基づく処理を示すフローチャートである。
【図５】図４に示される処理に関連するタイムチャートである。
【図６】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの運転を停止した時の第３プログラムに基づく処理を示すフローチャートである。
【図７】図６に示される処理に関連するタイムチャートである。
【図８】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの運転を停止した時の第４プログラムに基づく処理を示すフローチャートである。
【図９】図８に示される処理に関連するタイムチャートである。
【符号の説明】
【０１３６】
１０    燃料電池スタック
１１    アノード流路（燃料ガス流路）
１２    カソード流路（酸化剤ガス流路）
２５    パージ弁
３２    希釈器（希釈手段）
３３    水素濃度検出センサ（濃度検出手段）
５０    アシスト用配管（アシスト用通路）
５２    希釈アシスト弁（希釈アシスト手段）
【図１】
0005221908.tif 000002
【図２】
0005221908.tif 000003
【図３】
0005221908.tif 000004
【図４】
0005221908.tif 000005
【図５】
0005221908.tif 000006
【図６】
0005221908.tif 000007
【図７】
0005221908.tif 000008
【図８】
0005221908.tif 000009
【図９】
0005221908.tif 000010